沈陽地區(qū)住宅建筑氣密性與通風方案分析★

張雪萍 王中華 劉貴軍, 黃凱良 宋嘉森 孫 文

(1.中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110166; 2.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

1 概述

建筑和人體每天會產(chǎn)生大量的污染物，包括可吸入顆粒物、甲醛、VOCs、氡等，尤其在大量使用劣質(zhì)裝修材料之后，污染物就會超過國家標準的限制，影響室內(nèi)居民的健康，造成“建筑病態(tài)綜合征”“建筑相關(guān)疾病”等問題。室內(nèi)污染物的濃度與建筑氣密性、通風換氣量有重要的關(guān)系，在建筑氣密性好并且沒有通風的情況下，室內(nèi)污染物質(zhì)就得不到有效的去除[1]。研究表明，每年全世界有數(shù)千萬人的死亡，15%～36%的呼吸道疾病、慢性肺病、氣管炎、支氣管炎與室內(nèi)污染超標有關(guān)[2]。在國際范圍內(nèi)，建筑的實際的換氣次數(shù)往往都不能達到0.5 h-1～1 h-1的新風標準[3-5]。新風的引入主要通過自然滲透和通風兩種形式來實現(xiàn)，對于嚴寒地區(qū)而言，受室外條件的影響，開窗通風的頻次很低，建筑氣密性以及其決定的自然滲透通風量對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響較大，決定了室內(nèi)人員潛在的健康威脅程度。

住宅建筑的通風方式主要可以分為通過自然力利用開窗后的風壓和熱壓的自然通風，以及通過人工方式利用新風系統(tǒng)的機械通風。嚴寒地區(qū)冬季寒冷，受到安裝條件與經(jīng)濟成本的限制，大部分住宅沒有安裝新風系統(tǒng)，且開窗時長較短，建筑氣密性對于自然換氣次數(shù)以及居民健康具有重要影響。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，部分研究開始嘗試研究和使用太陽能新風系統(tǒng)，一些新建住宅開始安裝熱回收新風系統(tǒng)，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。熱回收新風系統(tǒng)通過送、排風之間的熱交換實現(xiàn)節(jié)能。研究人員通過改進熱回收新風系統(tǒng)的換熱材料，優(yōu)化流道幾何尺寸，改變流速與流向等方法提升熱回收性能[6-8]，但在噪聲和耗電量控制方面還有一定的提升空間。

為了解不同類型居住建筑外窗的氣密性現(xiàn)狀并分析得到合適的通風方案，本文采用壓差法對沈陽地區(qū)代表性建筑的氣密性進行了測試，將測試結(jié)果進行綜合分析，在此基礎(chǔ)上比較了兩種新風系統(tǒng)的經(jīng)濟性，為新風系統(tǒng)能耗的計算與關(guān)鍵參數(shù)的選擇提供參考。

2 住宅氣密性測試

2.1 住宅建筑概況

選擇氣密性測試的住宅建筑位于沈陽市，沈陽處于嚴寒C區(qū)，冬季平均溫度是-5 ℃～-6 ℃。測試數(shù)量一共為5戶，包括了不同建筑年代的建筑類型，如表1所示。其中，老舊建筑進行了保溫處理，所有窗戶均為雙層玻璃窗。進行住宅建筑氣密性測試的目的是推算自然情況下的通風換氣量，為開窗通風或機械新風系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)參考。

表1 所測試建筑的基本信息

2.2 氣密性測試方法

現(xiàn)階段國內(nèi)外最常用的檢測建筑整體氣密性的方法分為氣壓法和示蹤氣體濃度衰減法，本文使用氣壓法進行測試，又稱為“鼓風門”法，通過鼓風形成室內(nèi)外壓差并測試對應的漏風量。建筑氣密性測試系統(tǒng)型號為DG-700，壓力和流量的測量精度滿足標準要求(±3%)。入戶門框中間的框架用于掛起風扇，密封布將對安裝風扇的門進行密封，風扇可以控制進風口氣流，不同的風速可以通過不同尺寸的流量環(huán)來調(diào)控；測試主機有2個通道，可根據(jù)正壓與負壓測試時的連接方式檢測建筑物的壓力值和風扇的壓力值。測試主機與鼓風機和測試軟件相連，測出當氣壓從高到低的變化時的一系列數(shù)據(jù)，計算得到綜合壓差指數(shù)n與流量系數(shù)C，得出回歸方程，進而總結(jié)出測試結(jié)果。利用氣壓法進行建筑氣密性測試時，各個國家均采用壓差±50 Pa給出氣密性評價指標，使用ISO9972與EN13829的定義總結(jié)氣密性指標及計算公式如下：

(1)

其中，ACH50為50 Pa壓差時建筑的換氣次數(shù)；Q50為單位時間內(nèi)室內(nèi)外空氣交換量；V為住宅內(nèi)部體積。

根據(jù)式(2)以及壓差50 Pa時換氣次數(shù)可以計算自然條件下的換氣次數(shù)。

(2)

其中，n為關(guān)聯(lián)系數(shù)，與地域和氣候有關(guān)，需要考慮室外風速、室內(nèi)外溫差、建筑類型、結(jié)構(gòu)材料等相關(guān)，但在實際中這些影響因素并不能完全被考慮到經(jīng)驗換算系數(shù)的確定中，本文取值為17[5]。

在測試過程中，使用密封膠帶保證住宅的風口、地漏等與外部聯(lián)通的地方保持基本密閉的狀態(tài)。測試過程如圖1所示。

2.3 測試結(jié)果分析

住宅建筑氣密性測試的ACH50值以及推算的自然換氣次數(shù)如表2所示。可以看出，最新的建筑比最老舊的建筑氣密性得到了10倍的提升，但是其他建筑的建筑氣密性與建筑年代沒有直接關(guān)系，與施工質(zhì)量的相關(guān)性可能更高一些。在所測試建筑中，性能最好的一棟樓在施工中比較重視窗戶安裝、穿墻電線管等，建筑整體氣密性得到了較好的加強。除開性能較好和性能較差的住宅之外，其他3戶代表性住宅的氣密性自然換氣次數(shù)為0.11～0.28。

表2 氣密性測試結(jié)果

將測試結(jié)果與以往報道的測試結(jié)果[9]比較可知，所測試的嚴寒地區(qū)住宅的氣密性好于寒冷地區(qū)的住宅。測試5戶住 宅自然換氣次數(shù)的平均值為0.14 h-1，其中3戶代表性的住宅自然換氣次數(shù)的平均值為0.18 h-1。在沒有安裝機械新風系統(tǒng)且不開窗的情況下，僅靠自然滲透很難滿足0.5 h-1～1 h-1的新風標準。這種情況在嚴寒地區(qū)的冬季比較容易出現(xiàn)，對居民健康存在潛在的威脅。對于測試的住宅而言，冬季應該適當增加開窗時間或者在條件允許的情況下安裝新風系統(tǒng)。

3 新風系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

新風系統(tǒng)主要通過風機強制送排風將污濁空氣排除，將室外的新風有組織的送入室內(nèi)，從而保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量，改善居住環(huán)境。新風系統(tǒng)在住宅中的設(shè)計應用不僅廣泛，而且種類也較多，可以按照有無管道、有無熱回收、全熱/顯熱回收、單向流/雙向流等進行劃分。其中，室內(nèi)不使用管道的太陽能新風系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、節(jié)能的優(yōu)點，但在沒有太陽輻射的情況下就無法加熱室外新風，相對舒適性較差，而雙向流的熱回收新風系統(tǒng)較為節(jié)能，應用相對成熟，但成本偏高。太陽能新風系統(tǒng)和熱回收新風系統(tǒng)的原理如圖2，圖3所示。考慮到新風系統(tǒng)主要用于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，屬于“改善型”系統(tǒng)，即有好于無，本文忽略新風系統(tǒng)的保證率，主要從初投資與節(jié)能角度分析太陽能新風系統(tǒng)和熱回收新風系統(tǒng)的經(jīng)濟性，經(jīng)濟性比較在同樣的全年室內(nèi)外條件下進行。通過與電輔助加熱新風系統(tǒng)比較，計算太陽能新風系統(tǒng)和熱回收新風系統(tǒng)的投資回收期。

在經(jīng)濟性分析時，太陽能新風系統(tǒng)的集熱器平均熱效率分別為60%，太陽能新風系統(tǒng)的投資為500元/10 m2；熱回收新風系統(tǒng)的全熱回收效率為60%，投資為1 600元/10 m2。

與電輔助加熱新風系統(tǒng)相比，太陽能新風系統(tǒng)和熱回收新風系統(tǒng)的壽命期總節(jié)能費用計算公式如下：

S=P(QeffC-AD)-A

(3)

其中，S為總節(jié)能費用；P為折現(xiàn)系數(shù)；A為與參照相比增加的投資；D為每年維修費占增加投資的比例。

折現(xiàn)系數(shù)P的計算公式為：

(4)

(5)

其中，d，e分別為市場折現(xiàn)率和燃料價格上漲率；取計算年限n=15。

增加的投資與15年運行節(jié)能的費用之間相等時，存在以下關(guān)系式：

PI(ΔQeffCc-AdDJ)=Ad

(6)

(7)

Ne=PI(1+d) (d=e)

(8)

經(jīng)濟性分析的計算結(jié)果如表3所示(新風1表示太陽能新風系統(tǒng)，新風2表示熱回收新風系統(tǒng))，可見太陽能新風系統(tǒng)的回收期為4.9年～8.0年，熱回收新風系統(tǒng)的回收期為8.3年～10.6年，從經(jīng)濟性角度來看太陽能新風系統(tǒng)占優(yōu)。

表3 典型城市的節(jié)能量與投資回收期結(jié)果

需要指出的是，新風系統(tǒng)的目標是改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，太陽能新風系統(tǒng)在陰天無法工作，在晴天加熱室外新風也存在溫度波動的問題，而熱回收新風系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，保障室內(nèi)空氣品質(zhì)的效果更好。

4 結(jié)語

為了解嚴寒地區(qū)的住宅建筑氣密性并分析合適的新風系統(tǒng)方案，實測了5戶沈陽市住宅的氣密性，發(fā)現(xiàn)測試住宅氣密性整體良好，自然換氣次數(shù)的平均值為0.14 h-1，新建住宅的氣密性基本上好于老舊住宅。與電輔助加熱新風系統(tǒng)相比，太陽能新風系統(tǒng)的回收期為4.9年～8.0年，熱回收新風系統(tǒng)的回收期為8.3年～10.6年，從經(jīng)濟性角度來看太陽能新風系統(tǒng)占優(yōu)。